Файл: Общее мерзлотоведение..pdf

температуре —10 и —15°С). Вследствие перехода воды в лед при промерзании обычно отношение ^МД Т 1. В среднем для всех по­ род оно находится в пределах 1,1—1,3, причем зависит от объем­ ного веса, влажности и т. п. В очень рыхлых породах отношение ЯмАт может быть меньше 1, так как при промерзании происходит раздвигание органо-минеральных частиц растущими кристаллами льда и понижение плотности.

Одним из первых исследователей тепловых характеристик мерз­ лых пород был М. С. Керстен [18]. В табл. 31 приведены значения

182

коэффициента теплопроводности талых и мерзлых типичных не­ водонасыщенных пород.

Коэффициент теплопроводности промерзающих пли протаиваю­ щих пород Ям (/), в отличие от талых или полностью промерзших, су­ щественно зависит от температуры. Это объясняется тем, что при промерзании непрерывно изменяется соотношение между содер­ жанием льда и незамерзшей воды с резко различными коэффици­ ентами теплопроводности. Считая, что изменение величины (t) от температуры пропорционально содержанию способной к замер­ занию влаги, получена следующая зависимость [19]:

в пределах 0,16—0,25 ккал/кг-град. В теплофизических расчетах принимают следующие значения удельной теплоемкости органо­ минерального скелета, ккал/кг-град: песок — 0,165, супесь — 0,175, суглинок — 0,185, глина — 220 [20]. Органические соеди­ нения (торф, мох) могут иметь повышенную удельную теплоем­ кость. Удельная теплоемкость свободной и связанной воды при­ нимается равной 1,0 ккал/кг-град.

Удельная теплоемкость льда сл примерно в 2 раза меньше удельной теплоемкости воды св. Поэтому удельная теплоемкость мерзлой породы меньше удельной теплоемкости талой:

Первые два члена правой части формулы (VIII. 36) представляют собой удельную теплоемкость талой породы, третий — величину уменьшения ее теплоемкости вследствие замерзания части воды.

Если порода к началу замерзания имеет влажность, не превы­ шающую полную ее влагоемкость, то кристаллизация части и да­ же всей способной к замерзанию воды обычно снижает теплоем­ кость породы всего на 10—20%. Изменение количества незамерз­ шей влаги в мерзлых породах приводит к изменениям теплоемко­ сти, не превышающим 1—2%. Поэтому зависимость теплоемкости мерзлой породы от температуры в теплофизических расчетах обыч­ но не учитывается. В табл. 32 приведены значения объемной теп­ лоемкости типичных неводонасыщенных пород в талом и мерзлом состоянии. По табличным значениям коэффициентов теплопровод-

18'

/

ности (см. табл. 31) и объемной теплоемкости (см. табл. 32) нетруд­ но вычислить коэффициент температуропроводности мерзлых по­ род аш. Он больше, чем коэффициент температуропроводности та­ лых пород:

Коэффициент температуропроводности мерзлых пород изменя­ ется в меньших пределах, чем коэффициент теплопроводности и

184

объемная теплоемкость. Нижний предел изменения ам составляет (1,5—2,0)-10"3м2/ч; верхний предел равен 5-10-3м2/ч у песков, 4-10 Зм2/н у супесей и 3-10'3м2/ч у суглинков и глин. К настоящему времени тепловые свойства песчаных, супесчаных, суглинистых и глинистых пород в мерзлом и талом состоянии сравнительно хо­ рошо изучены. К сожалению, исследование тепловых свойств и л и ­ с т ы х , торфяных и *собенно крупнообломочных материалов еще только начинается.

Теплоемкость пород, в которых фазовые переходы отсутствуют (талые или мерзлые породы), была определена как сумма теплоем­ костей составных компонентов — минерального скелета, воды (льда). Поэтому ее называют аддитивной теплоемкостью. При из­ менении температуры промерзающих и протаивающих пород тепло затрачивается не только на нагревание его компонентов (минераль­ ный скелет, незамерзшая вода, лед), но и на фазовые переходы лед—вода. В количественном отношении выделение тепла при кристаллизации поровой влаги условно отождествляют с выделе­ нием тепла от охлаждения компонентов породы [21]. Поэтому теп­ лоту фазовых переходов можно учесть введением эффективной

где L —теплота кристаллизации воды (L=80 кал/г); Уск.м —^ -----

изменение количества незамерзшей воды при изменении темпера­

отрицательная.

Эффективная теплоемкость мерзлых песков, в которых при от­ рицательной температуре вся влага находится в замерзшем состо­ янии, не отличается от их аддитивной теплоемкости. Эффективная теплоемкость супесей, суглинков и особенно глин может во много раз превосходить аддитивную теплоемкость в области температур, близких к температуре замерзания, и практически мало отличает­ ся от нее при температурах ниже минус 8—10°.

Процесс распространения тепла в промерзающих и протаиваю­ щих грунтах уже не может быть описан уравнением (VIII.5), в ко­ торое входят истинные теплофизические характеристики мерзлых пород. В этом уравнении необходимо учесть изменение коэффици­ ента теплопроводности пород с температурой и фазовые превраще­ ния, интенсивность которых определяется выражением

185